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数学
题目

按自然数从小到大为标准次序,求下列各排列的逆序数.(1) 2134;(2) 4132;(3) 3421;(4) 4213;(5) 13...(2n-1)24...(2n);(6) (13...(2n-1)(2n)(2n-2)...2).

按自然数从小到大为标准次序,求下列各排列的逆序数. (1) 2134; (2) 4132; (3) 3421; (4) 4213; (5) $13\cdots(2n-1)24\cdots(2n)$; (6) $(13\cdots(2n-1)(2n)(2n-2)\cdots2)$.

题目解答

答案

我们来逐题分析并计算每个排列的逆序数。

定义回顾:

在一个排列中,若前面的数比后面的数大,则这对数构成一个逆序。
逆序数就是这个排列中所有逆序对的个数。

(1)排列:2134

我们逐个数检查其后面比它小的数的个数:

  • 2 后面有 1,构成一个逆序;
  • 1 后面没有比它小的数;
  • 3 后面没有比它小的数;
  • 4 后面没有数。

逆序数:1

(2)排列:4132

逐个检查:

  • 4 后面有 1、3、2,都比 4 小,构成 3 个逆序;
  • 1 后面没有比它小的数;
  • 3 后面有 2,构成 1 个逆序;
  • 2 后面没有数。

逆序数:3 + 1 = 4

(3)排列:3421

逐个检查:

  • 3 后面有 2、1,构成 2 个逆序;
  • 4 后面有 2、1,构成 2 个逆序;
  • 2 后面有 1,构成 1 个逆序;
  • 1 后面没有数。

逆序数:2 + 2 + 1 = 5

(4)排列:4213

逐个检查:

  • 4 后面有 2、1、3,都比 4 小,构成 3 个逆序;
  • 2 后面有 1,构成 1 个逆序;
  • 1 后面没有比它小的数;
  • 3 后面没有数。

逆序数:3 + 1 = 4

(5)排列:$1\ 3\ \cdots\ (2n-1)\ 2\ 4\ \cdots\ 2n$

这是一个奇数在前、偶数在后的排列,例如当 $n = 3$ 时,排列为:1 3 5 2 4 6

我们来分析一般情况:

  • 前 $n$ 个数是奇数:1, 3, 5, ..., $2n-1$
  • 后 $n$ 个数是偶数:2, 4, 6, ..., $2n$

现在我们来计算奇数后面比它小的偶数的个数:

对于每个奇数 $2k-1$,它后面有 $n - k$ 个偶数比它小(因为偶数从小到大排列,比 $2k-1$ 小的偶数是 $2, 4, ..., 2(k-1)$,共 $k-1$ 个,所以比它大的偶数是 $n - (k-1) = n - k + 1$)

不过更简单的方法是:
每个奇数后面有 $n$ 个偶数,其中比它小的偶数有 $k-1$ 个,所以比它大的偶数是 $n - (k-1) = n - k + 1$

所以总逆序数是:

$\sum_{k=1}^{n} (n - k + 1) = \sum_{i=1}^{n} i = \frac{n(n+1)}{2}$

逆序数:$\boxed{\frac{n(n+1)}{2}}$

(6)排列:$(1\ 3\ \cdots\ (2n-1)\ (2n)\ (2n-2)\ \cdots\ 2)$

这个排列是:

  • 前 $n$ 个数是奇数:1, 3, 5, ..., $2n-1$
  • 后 $n$ 个数是偶数,但按从大到小排列:$2n, 2n-2, ..., 2$

我们来分析逆序数:

  • 奇数部分:1, 3, 5, ..., $2n-1$,这部分是升序,没有逆序;
  • 偶数部分:$2n, 2n-2, ..., 2$,这部分是降序,每一对都构成逆序,共有 $\frac{n(n-1)}{2}$ 个;
  • 奇数与偶数之间:每个奇数 $2k-1$ 后面有 $n$ 个偶数,其中比它大的偶数有 $n - k$ 个(因为偶数从大到小排列,前 $k$ 个偶数小于等于 $2k-1$)

所以奇偶之间的逆序数是:

$\sum_{k=1}^{n} (n - k) = \sum_{i=0}^{n-1} i = \frac{(n-1)n}{2}$

偶数内部逆序数是:$\frac{n(n-1)}{2}$

所以总逆序数是:

$\frac{(n-1)n}{2} + \frac{n(n-1)}{2} = n(n-1)$

逆序数:$\boxed{n(n-1)}$

总结答案:

题号 排列 逆序数
(1) 2134 1
(2) 4132 4
(3) 3421 5
(4) 4213 4
(5) $1\ 3\ \cdots\ (2n-1)\ 2\ 4\ \cdots\ 2n$ $\boxed{\frac{n(n+1)}{2}}$
(6) $1\ 3\ \cdots\ (2n-1)\ 2n\ (2n-2)\ \cdots\ 2$ $\boxed{n(n-1)}$

如有需要,我也可以画出逆序对的详细分析图。

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